Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

СОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ В ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

А.Д. Сашурин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Геодинамике, как самостоятельной научной дисциплине, различные ученые отводят широкий и разнообразный круг вопросов. Общая, или глобальная, геодинамика изучает глубинные процессы, определяющие движущий механизм преобразований в литосфере. Частная, или региональная, геодинамика изучает развитие поверхностных оболочек [1].

Теркот Д.А. и Шуберт Дж. в предисловии к русскому изданию "Геодинамики" определяют геодинамику как науку, изучающую движения и деформации, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и их причины [2].

В соответствии с этими определениями и согласно принятой в геологических дисциплинах терминологии, в статье речь идет о современных движениях земной коры, проявляющихся в ее приповерхностных областях в настоящее время и в последний период, сопоставимый по продолжительности со сроками службы объектов недропользования. Причем под недропользованием подразумевается не только добыча, переработка и транспортировка полезных ископаемых, а вся обширная сфера человеческой деятельности, в которой массив горных пород и его земная поверхность выступают в качестве неотъемлемого важнейшего инженерно-геологического компонента.

Экспериментальное изучение геодинамических движений массива горных пород и земной поверхности, играющих первостепенную роль в формировании напряженно-деформированного состояния, до недавнего времени представляло собой сложнейшую научную проблему, так как было сопряжено с необходимостью проведения высокоточных измерений смещений и деформаций на базах до десятков километров в миллиметровом диапазоне точности. Практическая возможность постановки серьезных экспериментальных исследований в этой области открылась с внедрением в научную практику GPS-технологий - технологий спутниковой геодезии.

В ИГД УрО РАН технологии спутниковой геодезии вошли в практику научных исследований благодаря созданию в 1996 году при финансовой поддержке РФФИ центра коллективного пользования "Уральского центра геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых". В настоящее время центр оснащен 12 современными совместимыми в работе спутниковыми приемниками фирм Trimble (США) и Zeiss (Германия), позволяющими производить методологически сложные эксперименты, в том числе непрерывное слежение за деформированием обширных участков земной поверхности.

История познания современных геодинамических движений развивалась от общих глобальных явлений к частным процессам. Начало ее с определенными условностями можно отнести к появлению в начале ХХ века гипотезы А. Вегенера о дрейфе континентов, которая уже во второй половине столетия обрела статус теории тектоники литосферных плит [3]. Эта теория по своей сути впервые сдвинула литосферные плиты и материки в горизонтальной плоскости и наделила их постоянными современными движениями. Появление спутниковых технологий геодезии позволило экспериментально определить численные значения этих перемещений.

С постановкой обширных экспериментальных исследований современных движений земной коры на геодинамических полигонах различного назначения был сделан очередной шаг в их познании - были выявлены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений, приуроченные к зонам разломов различного типа и ранга [4]. Эти аномальные движения, названные суперинтенсивными, высокоамплитудны (до 50 - 70 мм/год), пространственно локализованы (0.1 - 1 км), короткопериодичны (0.1 - 1 год) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.

И, наконец, внедрение дифференциальных GPS-технологий в периодическом (дискретном) и непрерывном вариантах мониторинга за смещениями и деформациями позволило коллективу, возглавляемому автором, выявить новый класс геодинамических движений в разломных зонах с периодами около 1 минуты и около 1 часа, подтвердить движения с периодами до года и более. Всем этим движениям, наряду с трендовой составляющей, которая возможно является следствием длиннопериодных колебаний, свойственны пульсационный характер и знакопеременная направленность [5].

Таким образом, вся гамма наблюдаемых цикличных знакопеременных и трендовых движений свидетельствует, что основным свойством геологической среды, особенно в разломных зонах, является нахождение ее в непрерывном движении. Движение выступает как форма существования геологической среды.

В связи с этим, роль и место современной геодинамики трудно переоценить в фундаментальной сфере наук о Земле, но еще более важна ее роль в решении практических задач по обеспечению безопасности объектов, связанных с освоением подземного пространства.

Исследованиями выявлены два вида геодинамических движений: цикличные с различной продолжительностью периодов и трендовые, сохраняющие в течение длительных периодов постоянную направленность. На безопасность объектов подземного пространства и наземных сооружений оказывают влияние оба вида геодинамических движений. Результаты экспериментальных исследований современной геодинамики, полученные в последние годы, приведены в таблице.

Результаты экспериментальных исследований параметров геодинамических движений

Места проявления геодинамических движений в большей мере тяготеют к активным тектоническим структурам и непосредственно прилегающим к ним объемам пород и участкам земной поверхности. Экспериментально в этих зонах установлены большие амплитуды смещений. С удалением от тектонических структур в глубь структурных блоков наблюдается снижение уровня смещений. Однако каких либо количественных закономерностей распределения смещений пока не установлено.

Механизм воздействия трендовых и колебательных геодинамических смещений на объекты недропользования разный. Влияние трендовых движений известно. Объекты, попадающие на активные тектонические структуры с трендовыми движениями нарушаются по достижению в их конструкции предельных деформаций или напряжений. Однако тектонические структуры с выраженным трендовым характером движений встречаются довольно редко.

Цикличные движения более распространенные и воздействие их более многогранно и проявляется как в непосредственном влиянии цикличных деформаций на сам объект, так и через изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных циклических нагружений. Механизм непосредственного воздействия цикличных деформаций на инженерные сооружения достаточно прост и не нуждается в особых пояснениях. Если амплитуда знакопеременных деформаций превысит допустимые деформации конструктивных элементов сооружения, то в нем проявятся нарушения с соответствующими аварийными последствиями.

Если уровень деформаций ниже допустимых значений, то аварийные последствия от воздействия зависят от проявления усталостных эффектов. По выявленным в настоящее время частотам короткопериодных геодинамических колебаний наибольшую опасность в этом плане представляют колебания с периодами около одной минуты и около одного часа, создающие, соответственно, 500000 и 9000 циклов нагружения в год. Время разрушения от цикличных нагружений зависит от уровня амплитуды переменных деформаций относительно допустимых значений деформаций. Для металлоконструкций трубопроводов различного назначения цикличное нагружение интенсифицирует процесс коррозии в десятки и сотни раз.

Изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных цикличных нагружений довольно распространенное явление. Однако внешне его признаки не контрастны и выявление непосредственного их влияния на объекты весьма проблематично. Впервые это явление отмечено, пожалуй, в работах НТФ "Геофизпрогноз" на основе изучения разломных зон методом сейсмопрофилирования [6].

Было высказано предположение, что в разломной зоне массив горных пород находится в тиксотропном состоянии. На основе этой гипотезы были решены многочисленные практические задачи, высказаны представления по механизму и природе многих техногенных аварий и катастроф, в том числе и по известной катастрофе метрополитена г. Санкт-Петербурга.

Однако при всей плодотворности высказанной идеи вопрос о причине возникновения тиксотропного состояния в разломной зоне оставался не раскрытым.

Известно, что в природе явление тиксотропии возникает в некоторых видах грунтов и пород в период землетрясений. За счет знакопеременных цикличных нагружений эти грунты, имеющие в статическом состоянии достаточную несущую способность, разжижаются, резко снижая свои прочностные характеристики. Это нередко ведет к перекосу и опрокидыванию жилых домов и инженерных сооружений. Но это явление происходит в лишь короткий период действия землетрясения. Впоследствии грунты вновь обретают свои обычные свойства.

Тиксотропия в разломных зонах, сложенных во многих случаях скальными породами с более нарушенной структурой, проявляется постоянно в размытой форме на протяжении длительных промежутков времени. Это явление более точно видимо можно охарактеризовать термином квазитиксотропия.

После выявления современной короткопериодной геодинамики мы предположили, что причиной квазитиксотропного состояния пород разломной зоны являются знакопеременные цикличные смещения. Вызванные ими знакопеременные цикличные нагружения приводят к изменению прочностных и деформационных свойств, то есть к квазитиксотропии. В зависимости от конструктивных особенностей сооружений, взаимодйствующих с разломными участками массива горных пород, складываются различные механизмы и сценарии развития аварий и катастроф.

Одним из характерных примеров разрушения подземных объектов могут служить аварии на подземном канализационном коллекторе г. Сургута. Экспериментально установлено, что в разломных зонах и на примыкающих к ним территориях действуют современные геодинамические смещения с широким спектром частот и амплитуд (см. таблицу выше). Наиболее контрастными среди них являются смещения с продолжительностью циклов около одной минуты и около одного часа. Имеются и другие менее выраженные циклы. Уровень напряжений и деформаций, вызванный этими смещениями, превышает допустимые значения для монолитной железобетонной внутренней обделки коллектора, закрепленного железобетонными тюбингами.

Механизм разрушения коллектора происходит в следующей форме (рис. 1):

- песчано-глинистые породы разломных зон под влиянием знакопеременных смещений и деформаций находятся в квазитиксотропном состоянии, имея по отношению к окружающим породам аномально пониженные несущие свойства;

- сборная железобетонная тюбинговая крепь канализационного коллектора с внутренней монолитной железобетонной обделкой, обладая достаточным весом и находясь под нагрузкой от налегающей толщи, не встречает в квазитиксотропном массиве достаточной опоры, проседает и прогибается, получая нештатное нагружение, не предусмотренное конструкцией;

- нештатную нагрузку крепи вызывают непосредственно и сами короткопериодные геодинамические движения;

- под действием этих двух факторов монолитная железобетонная обделка коллектора разрушается с образованием кольцевых трещин разрыва, превращая монолитный коллектор в обособленные секции длиной 5 - 7 м;

- на последнем этапе к процессу разрушения подключаются грунтовые воды, уровень которых находится выше заложения канализационного коллектора; устремляясь в образовавшиеся трещины внутрь коллектора, который теперь уже выполняет функции дренажного устройства, они выносят с собой песчано-глинистые породы, находящиеся в квазитиксотропном состоянии, образуют суффозиозные карстовые полости, реализующиеся выходом провалов на земную поверхность и окончательным разрушением коллектора.

Таким образом, в основе приведенного примера техногенной катастрофы лежит комплексное проявление короткопериодной геодинамики, реализуемое как через непосредственное воздействие смещений и деформаций на сооружение, так и опосредованно через изменение свойств разломной зоны.

Длительное время (более 25 лет) в аварийном состоянии периодически пребывает северо-западный борт Главного карьера Коршуновского ГОКа на участке, пересекаемом широтным разломом мощностью около 500 м. В борту карьера, начиная с 1975 года, периодически происходят крупные оползни при углах наклона борта 22 градуса. По всем расчетным оценкам скальные осадочные породы, слагающие этот борт, должны обеспечивать его устойчивость при углах 28 - 30 градусов с нормативным запасом устойчивости 1.3.

На карьере производились периодические наблюдения за смещениями маркшейдерских пунктов, расположенных по контуру карьера с годичной периодичностью, выявившие цикличные их смещения с растяжением и сжатием интервалов между ними. Оползневая масса деформируется буквально в виде оплывины, полностью разжижаясь и теряя свою первоначальную структуру, превращаясь в селеподобную массу. Массив находится в явно выраженном тиксотропном состоянии.

Глубже в борту карьера находится гидротехнический тоннель, по которому из карьерного поля отведена река Коршуниха. При обследовании тоннеля было установлено, что монолитная железобетонная крепь на участке разломной зоны трещинами разрыва разбита на отдельные секции длиной 7 - 10 м. В образовавшиеся трещины внутрь тоннеля поступают подземные воды, иногда фонтанируя под давлением. Причем, образовавшиеся кольцевые трещины практически ни разу не совпали со строительными стыками крепи. В целом, характер разрушения крепи гидротехнического тоннеля Коршуновского карьера сходен с разрушением канализационного коллектора в г. Сургуте с той лишь разницей, что в скальных породах Коршуновского гидротехнического тоннеля пока не проявился суффозионный процесс.

Одной из форм провоцирования аварийных ситуаций является активизация процессов карстообразования. С такими явлениями мы столкнулись при исследовании причин активизации карстовых процессов в жилом микрорайоне Красная горка г. Каменск-Уральского и на газопроводе Бухара-Урал на участке Красногорского ЛПУ на Южном Урале в районе г. Еманжелинска. На обоих участках проводились непрерывные наблюдения за короткопериодными геодинамическими смещениями. Максимальные значения горизонтальных и вертикальных смещений и деформаций приведены в таблице выше.

Причиной активизации процессов образования карстовых провалов явилось воздействие переменных нагрузок на породы разломных зон и переход их в квазитиксотропное состояние, активизирующее суффозионные процессы. Серия карстовых воронок, образовавшаяся в разломной зоне, пересекающей газопровод, вызвала обнажение третьей нитки газопровода, создавая угрозу ее сохранности.

На основе анализа практических примеров развития аварийных ситуаций на объектах, расположенных в разломных зонах различных рангов синтезирована схематичная взаимосвязь между современной геодинамикой и техногенными катастрофами на объектах недропользования, представленная на рис. 2.

Выявленная взаимосвязь между современными геодинамическими движениями и механизмом развития техногенных катастроф в области недропользования создает теоретическую основу в определении стратегии проведения фундаментальных исследований по проблеме изучения природы техногенных катастроф. Одновременно использование ее повышает эффективность решения прикладных задач, связанных с прогнозированием и разработкой мер по предотвращению техногенных катастроф и снижению тяжести их последствий в конкретных ситуациях недропользования.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Механизм разрушения подземного коллектора: 1 - подземный коллектор; 2 - зона обрушения; 3 - уровень грунтовых вод; 4 - породы разломной зоны в тиксотропном состоянии; 5 - зона суффозионного выноса

Рис. 2. Взаимосвязь между современной геодинамикой и техногенными катастрофами

Использованные источники:

1. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. - М.: Недра, 1988. -491 с.

2. Теркот Д.Л., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. -376 с.

3. Вегенер А. Происхождение материков и океанов /Современные проблемы естествознания. М.-Л.: Геоиздат, 1925. 145 с.

4. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. -М.: Агентство экологических новостей, 1999. 220 с.

5. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.

6. Гликман А.Я. Физика и практика спектральной сейсморазведки. Internet. http://www.newgeophys.spb.ru/ru/book/index.shtml.

© 2002 Анатолий Д. Сашурин